光谱仪

光谱仪原理及发展应用综述姓名：学号：目录一、光谱仪简介......................................................1二、国内外光谱仪器的发展概况........................................2三、光谱仪的基本原理................................................5四、光谱仪的基本特征................................................71.工作光谱范围..................................................82.色散率........................................................83.分辨率........................................................94.光度特性.....................................................105.工作效率.....................................................10五、光谱仪中影响光谱成像的因素.....................................111.像差对光谱的影响.............................................112.杂散光、鬼线、伴线对光谱的影响...............................12六、几种常见光谱仪举例.............................................141.紫外可见光分光光度计.........................................142.拉曼光谱仪...................................................153.傅里叶红外光谱仪.............................................16参考文献...........................................................18光谱仪的基本原理及发展应用一、光谱仪简介光谱（Spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光波是由原子运动过程中的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同，也可以说各自的光谱不同。简单说，光谱仪(Spectroscope)就是用来分析光谱的仪器，它利用光学色散原理及现代先进电子技术设计，将成分复杂的光分解为光谱线。它的基本作用是测量和分析被研究光（所研究物质反射、吸收、散射或受激发的荧光等）的光谱特性，包括波长、强度等谱线特征。在光谱仪器中，分光原件由棱镜、衍射光栅等构成。比如，阳光中的七色光是人眼能分辨的部分，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等（如Figure1）。Figure1Spectralregionbywavelengthdivision图1按波长划分的光谱区域通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪：经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器，是狭缝光谱仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器，是非空间分光的,采用圆孔进光。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。常见的光谱仪器还有紫外-可见光分光光度计、红外分光光度计、荧光光谱仪、原子发射光谱仪、XRD光谱仪、成像光谱仪等。二、国内外光谱仪器的发展概况光谱起源于17世纪，1666年物理学家牛顿第一次进行了光的色散实验，将白光通过棱镜分成7种不同颜色。1826年泰尔博特研究钠盐、钾盐在酒精灯上光谱时指出，发射光谱是化学分析的基础、钾盐的红色光谱和钠盐的黄色光谱都是这个元素的特性。到1859年克希霍夫和本生为了研究金属的光谱自己设计和制造了一种完善的分光装置，这个装置就是世界上第一台实用的光谱仪器，研究火焰、电火花中各种金属的谱线，从而建立了光谱分析的初步基础。1882年，罗兰发明了凹面光栅，即把划痕直接刻在凹球面上。凹面光栅实际上是光学仪器成象系统元件的合为一体的高效元件，它解决了当时棱镜光谱仪所遇到的不可克服的困难。凹面光栅的问世不仅简化了光谱仪器的结构，而且还提高了它的性能。波耳理论在光谱分析中起了作用，其对光谱的激发过程、光谱线强度等提出比较满意的解释。从测定光谱线的绝对强度转到测量谱线的相对强度的应用，使光谱分析方法从定性分析发展到定量分析创造基础。1928年以后，由于光谱分析成了工业的分析方法，光谱仪器得到迅速的发展，一方面改善激发光源的稳定性，另一方面提高光谱仪器本身性能。随着计算机技术的迅速发展，1964年ARL公司展示一套数字计算和控制读出系统。由于电子技术的发展，电子计算机的小型化及微处理机的出现和普及，成本降低等原因，于上世纪七十年代光谱仪器几乎100％地采用计算机控制，这不仅提高了分析精度和速度，而且对分析结果的数据处理和分析过程实现自动化控制。我国从1958年开始试制光谱仪器，生产了第一台中型石英摄谱仪、大型摄谱仪、单色仪等。1963年北京光学仪器厂成功研制光刻。1966—1968年北京光学仪器厂和上海光学仪器厂先后研制成功中型平面光栅摄谱仪和一米平面光栅摄谱仪及光电直读头。1971—1972年由北京第二光学仪器厂研究成功国内第一台WZG—200平面光栅光量计，结束了我国不能生产光电直读光谱仪的历史。现代光谱仪正向微型化、自动化方向发展。微光学、微电子、微机械的结合产生出一类新的应用范围很广的器件——微型光机电系统、微型光谱分析仪（见Figure2）。该仪器具有重量轻、体积小、探测速度、使用方便、可集成化等优点，有着巨大的市场，可用在航空航天、医学、工业检测等领域，引起人们的广泛关注。Figure2Portablespectrometer(a:handheldsoilheavymetalanalyzer;b:FXLportablebenchtypeoreanalyzer)图2便携式光谱仪（a：手持式土壤重金属分析仪；b:FXL便携台式矿石分析仪）在遥感领域，由于对高分辨率的需要，出现很多光谱扫描仪以及成像光谱仪。我国国家863项目“高分辨率成像光谱仪”，经过长春光机所等单位的努力已完成原型样机并开始着手星载仪器技术准备。据美国《大众科学》杂志报道，中国将发射高光谱成像卫星，这种卫星能看见海里的潜艇和水雷，空中的导弹和隐形飞机，辨别地面的设施的伪装，探测地下隐蔽设施。由于中国最新成像卫星装备有超强的高分辨率成像光谱仪，中国对美国具有绝对的技术优势。另外，通过光子技术和计算机技术融合出现的光学多道分析仪OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)是采用光子探测器(CCD)和ab计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集、处理、存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理和测量工作,使传统的光谱技术发生了改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率；使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测。三、光谱仪的基本原理光谱仪可以帮助检测分析光谱信息，因此应该具备以下基本功能：（1）分光：把被研究光按一定波长或波数的分布规律在一定空间内区分开来。（2）感光：将光信号转换成易于测量的电信号，相应地测量出各波长光的强度，得到光能量按波长的分布规律。（3）绘谱线图：把分开的光波及其强度按波长或波数的分布规律记录保存或显示对应光谱图。要具备上述功能，一般光谱仪器的构成都可分成四部分:光源照明系统、分光系统、探测接收系统和传输存储显示系统。其中在分光系统中，由于分光原件不同，又有棱镜型和光栅型。Figure3中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构，其色散原件是三棱镜。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用（光的折射），不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。Figure3Thebasicstructureofthreeprismspectrograph图3三棱镜摄谱仪的基本结构Figure4表示的是色散系统为光栅型结构的光谱仪光学系统原理图：H——光源，L1——聚光镜，S—狭缝，L2——准直物镜，G——光栅，L3——成像物镜，PM——接受检测显示器Figure4Principlediagramofopticalsystemofspectrometer图4光谱仪光学系统原理图下面具体说明：（1）光源和照明系统可以是研究的对象，也可以作为研究的工具照射被研究的物质。一般来说，在研究物质的发射光谱如气体火焰、交直流电弧以及电火花等激发试样时，光源就是研究的对象；而在研究吸收光谱、拉曼光谱或荧光光谱时，光源则作为照明工具（如汞灯、红外干燥灯、乌灯、氙灯、LED、激光器等等）。为了尽可能多地会聚光源照射的光强度，并传递给后面的分光系统，就需要专门设计照明系统。（2）分光系统是光谱仪的核心部分，它一般是由准直系统、色散系统、成像系统三部分组成。如Figure4所示，准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。光源和照明系统发出的光通过狭缝照射到准直物镜，变成平行光束投射到光栅上。光栅的作用是将入射的单束复合光通过衍射分解为多束单色光。多束单色光经过成像物镜按照波长的顺序成像在透镜焦平面上；这样，单束的复合光经过分光系统后成功变成了多束单色光的像。（3）探测接收系统的作用是将成像系统焦平面上接收的光谱能量转换成易于测量的电信号，并测量出对应光谱组成部分的波长和强度，从而获得被研究物质的特性参数如物质的组成成分及其含量以及物质的温度、星体的运动速度等等。目前光谱仪器的接收系统可以分为目视系统、摄谱系统和光电系统。经典光谱仪器根据设计需要可以选择其中一种，但干涉调制光谱仪器只能采用光电接收系统。（4）传输存储显示系统是将探测接收系统测量出来的电信号经过初步处理后存储或通过高速传输接口上传给上位机，在上位机上对光谱数据进行进一步数据处理及显示等。四、光谱仪的基本特征光谱仪的基本特征参数是：工作光谱范围、色散率、分辨率、光强度及工作效率。1.工作光谱范围指的是光谱仪所能测量或记录的光谱范围。这主要取决于系统中个部分光学元件的光透过率以及所用探测系统的光谱灵敏度。比如在棱镜系统中，普通光学玻璃工作波长范围为400nm-1000nm（实际可达到2.5μm），在大于1000nm的波长范围内就要采用氯化钠、溴化钾和氟化钙等红外晶体，而在紫外或极紫外范围内要用石英或者萤石。2.色散率指光谱在空间按照波长分离的尺度或者会聚在焦平面上彼此分开的距离（见Figu